Si基板上ダブルヘテロ接合AlGaN/GaNショットキーバリアダイオード：理論と実験の複合解析

要旨

GaN/AlGaN/GaN/Si基板上のダブルヘテロ接合を持つAlGaN/GaNショットキーバリアダイオード（SBD）を理論的および実験的に調査しました。二次元正孔ガス（2DHG）と二次元電子ガス（2DEG）が、それぞれGaNトップ/AlGaN界面とAlGaN/GaN界面に形成されます。オフ状態では、2DEGと2DHGが部分的に枯渇し、その後完全に消失します。固定正極化電荷と負極化電荷が残り、極化接合を形成します。その結果、ドリフト領域に平坦な電界分布と高い耐圧（BV）が得られます。さらに、アノードをリセス構造にしてターンオン電圧（V_ON）を低減しました。低損傷ICPエッチングプロセスによりショットキー接触が改善され、低リーク電流と低V_ONが得られました。作製したSBDは、アノード-カソード距離（L_AC）11 μmで1109 Vの耐圧を示しました。作製SBDは、室温で0.68 Vの低V_ON（良好な均一性）、高オン/オフ電流比〜10¹⁰、低オン抵抗（R_ON,SP）1.17 mΩ・cm²、高Baliga FOM（Figure-of-Merit）1051 MW/cm²を達成しました。

はじめに

AlGaN/GaNヘテロ構造ベースのラテラルダイオードは、二次元電子ガス（2DEG）の高電子移動度、高電子飽和速度、高耐圧電界により魅力的なデバイスです[1-3]。GaNダイオードのターンオン電圧（V_ON）低減、逆方向リーク電流低減、高耐圧（BV）達成のため、電源および力率補正用コンバータ/インバータ向けに広範な努力が払われてきました[4-12]。電界の非均一分布を解決するため、さまざまなアプローチが提案されています。その一つがフィールドプレート（FP）技術[5, 13]です。完全リセスアノードとデュアルフィールドプレートを持つSBDは、25 μm L_ACで1.9 kVの高耐圧を達成しました[5]。また、ターンオン電圧を大幅に低減しながら高耐圧を維持できます。さらに、シリコン技術で一般的なREduced SURface Field（RESURF）概念がGaN HEMTで実証されています[14]。また、2DEG上に二次元正孔ガス（2DHG）を持つ極化接合（PJ）が、比オン抵抗（R_ON,SP）とBVの関係改善に提案されています[15-18]。PJ概念ベースのGaNデバイスはサファイアとSiC基板で実証されていますが、GaN-on-SiC基板の高コストと小径は大量商業応用に不利です。大口径のGaN-on-Siは低コストのため有望な選択肢と見なされています[19-22]。したがって、シリコン基板上のPJダイオード性能は研究する価値があります。

本研究では、ダブルヘテロ接合（DJ）を持つGaN/AlGaN/GaN-on-Siショットキーバリアダイオードを提案し、実験的に実証しました。極化接合効果をシミュレーションと実験で確認しました。アノードとカソード電極間で平坦な電界（E-field）分布を達成しました。ショットキートレンチエッチングのICPプロセスを最適化し、優れたエッチング均一性で低逆方向リーク電流と低V_ONを達成しました。オーミック接触プロセスも最適化し、カスタマイズエピタキシャル層（45 nm GaNトップ）に基づき2DEG向け低接触抵抗を達成しました。したがって、L_AC 11 μmのSBDで1109 Vの耐圧と、Baliga FOM 1051 MW/cm²を達成しました。温度依存性と動的R_ON,SP性能も調査しました。

方法と実験

エピタキシャル層は、6インチp型シリコン上に有機金属化学気相成長（MOCVD）で成長させました。下から順に、3.5 μm GaNバッファ層、150 nm GaNチャネル層、1 nm AlN中間層、45 nm Al_0.25Ga_0.75Nバリア層、45 nm GaNトップ層で構成されます。GaNトップ層は35 nm p-GaN層と10 nm無意図的ドープGaN層を含みます。与えられたAlGaN厚さ45 nmでは、GaNトップ厚増加に伴い2DHG密度が増加します[22]。厚いGaNトップ層は高密度2DHGに不可欠ですが、2DEG向け低オーミック接触抵抗には不利です。提案するダブルヘテロ接合ショットキーバリアダイオード（DJ SBD）の概略断面図を図1aに示します。SBD作製は、Cl₂/BCl₃ベースの誘導結合プラズマ（ICP）エッチングによるメサ分離（深さ300 nm）から始まりました。次に、低損傷ICPエッチングプロセスでオーミックトレンチとショットキーアノードトレンチを形成しました。オーミックトレンチとショットキーアノードトレンチの深さはそれぞれ50 nmと90 nmで、原子間力顕微鏡（AFM）で確認しました。エッチングプロセス完了後、85 ℃で15分間テトラメチルアンモニウムヒドロキシド（TMAH）溶液を導入し、エッチング後残留物除去とトレンチ側壁修飾を行いました[23]。その後、N₂雰囲気下で400 ℃、10分間アニーリングを実施しました。オーミックカソードを、電子ビーム蒸着Ti/Al/Ni/Au（20/140/55/45 nm）で形成し、N₂雰囲気下で870 ℃、35秒アニーリング、接触抵抗（R_C）0.49 Ω・mmを達成しました。最後に、アノード金属と配線をNi/Auで堆積し、作製フローを完了しました。デバイスは7〜11 μmのさまざまなL_ACを特徴とします。図1bに、ICPエッチングと金属堆積後のアノード高分解能断面TEM像を示し、層構造が明確に観測されました。

a 提案ダブルヘテロ接合AlGaN/GaN SBD断面図と主要作製プロセス。L_ACはアノード-カソード長。L_FPとL₁はそれぞれ1 μmと2 μm。b ICPエッチングと金属堆積後のアノードHR-TEM像

2DEGはAlGaN/GaN界面に沿った正極化電荷によって誘起されます。上部GaN/AlGaN界面は負極化電荷を持ち、上部界面に2DHGを生成します[15]。ドリフト領域とカソード間のギャップ（L₁）は、図2に示すように正孔電流経路を遮断するために用いられます。元のレイアウト設計の制限により、L₁を2〜3 μmで変化させた順方向および逆方向ブロッキング特性への影響のみ調査しました。V_ONとR_ON,SPは変化しません。これはL₁がショットキー接触と電子電流経路に影響しないためです。また、ドリフト領域が短くなるため、L₁増加に伴いBVはわずかに低下します。DJ SBDの順バイアス下動作機構は従来SBDとほぼ同じで、2DHGはカソードからアノードへの電子電流経路にほとんど影響しません。逆バイアス電圧増加に伴い、2DEGと2DHGは完全に枯渇します。固定正極化電荷と負極化電荷が残り、極化接合を形成します。その結果、カソードとアノード間で平坦なE-field分布が得られます（図3）。

DJ SBD動作機構解析：a ゼロバイアス、b 逆バイアス

TCADシミュレーションによるAlGaN/GaNチャネルヘテロ界面に沿った電界分布。Al組成を0.25と定義。バッファ層の净アクセプター（深準位）密度を1.5 × 10¹⁶ cm⁻³、エネルギー準位を伝導帯底から0.45 eV下に設定。AlGaN/GaN界面のアクセプター密度を6 × 10¹² cm⁻³、エネルギー準位を伝導帯底から0.23 eV下に設定

図3に示すように、耐圧特性と極化接合メカニズムはSynopsysの2-D Sentaurus TCADで確認しました。シミュレーションでは、バンドギャップ縮小、極化、電子/正孔移動度、衝撃電離、SRH再結合など重要な物理現象を考慮しました。

ホール効果測定で2DHGまたは2DEGの密度と移動度を決定しました[22]。測定は室温でファンデルパウ法で実施。Ref.[17]に従い、2DHG測定用試料をNi/Auオーミック接触で作製。2DHG密度と移動度はそれぞれ9 × 10¹² cm⁻²と15 cm²/V・s。2DEGは、GaNトップをリセスしAlGaNを部分的にエッチングし、Ti/Al/Ni/Auオーミック接触（2DEG用）で作製した試料で測定。2DEG密度と移動度はそれぞれ8.5 × 10¹² cm⁻²と970 cm²/V・s。ホール測定では正孔移動度がバルク移動度100 cm²/V・sよりはるかに低いことが示されました。移動度劣化はMOCVD成長中のp-GaNから無意図的ドープGaNへのMg拡散に起因すると考えられます。

結果と考察

さまざまなL_ACを持つSBDの測定順方向I-V特性を図4a、bにプロットしました。ターンオン電圧（V_ON）は0.68 Vで、わずか0.02 Vの変動です。SBDの理想性因子とバリア高さはそれぞれ1.44 ± 0.15と0.76 ± 0.04 eVと計算されました。図4aは、L_AC = 7および11 μmで、順バイアス2.5 Vにおいて高順方向電流密度183 mA/mmと144 mA/mm、オン抵抗0.642と1.17 mΩ・cm²が達成されたことを示します。さらに、図4bに示すように優れたオン/オフ電流比〜10¹⁰が得られました。サブスレッショルドスイング（SS）は63.0 mV/decで、理想的SS（59.6 mV/dec）に近い値です。

異なるL_ACを持つDJ SBDの測定順バイアスI-V特性：a リニアスケール、b セミログスケール

図5aに、300 KでのさまざまなL_ACを持つSBDの測定逆方向ブロッキングI-V特性を示します。異なるL_ACを持つデバイスの耐圧は、リーク電流1 mA/mmでそれぞれ803 V、940 V、1109 Vです。シミュレーションでは2DEGと2DHG密度は同じと仮定しました。しかし、実験結果では2DHG密度（9 × 10¹² cm⁻²）が2DEG密度（8.5 × 10¹² cm⁻²）よりわずかに高いことが示されました。オフ状態での固定正負極化電荷の差が電荷バランスに影響し、耐圧を劣化させます。L_ACのBVとR_ON,SPへの影響を図5bに示します。BVとL_ACの間に近似的な線形関係が得られ、ドリフト領域における比較的平坦な横方向E-fieldを示唆します。極化接合効果により、デバイスは高Baliga FOM（FOM = BV²/R_ON,SP）1051 MW/cm²（L_AC = 11 μm時）を示します。

a 異なるL_ACを持つDJ SBDの測定逆方向ブロッキングI-V特性。（b）L_ACの関数としてのR_ON,SPとBV

エッチングプロセスは高品質ショットキー界面とオーミック接触に不可欠です。図6aに、ICPエッチング（@5 ℃）とTMAH溶液処理後のリセストレンチ表面形態を示します。エッチレートは約4.9 nm/分、最終選択レシピはCl₂ 4 sccm、ICPパワー50 W、RFパワー15 Wです。走査領域2 × 2 μm²での平方平均平方根（RMS）粗さは0.244 nmです。

a ICPエッチング後のトレンチAFM形態。b TLM試験によるエッチ深さのオーミック接触抵抗への影響。c トレンチ深さ50〜55 nmでのアニーリング温度依存性接触抵抗。アニーリング時間35秒

カスタマイズエピタキシャル層は45 nm GaNトップ層と45 nm AlGaN層を含むため、オーミック接触（2DEG用）プロセスは従来SBDと異なります。GaNトップとAlGaNバリア層の両方をリセスせずに、アニーリングのみで低接触抵抗を達成するのは困難です。これはオーミック金属と2DEG間のポテンシャル障壁があるためです。しかし、バリアを過度にリセスすると応力緩和により2DEG濃度が低下します。オーミック接触抵抗低減のため追加プロセスを採用しました。堆積前にHCl溶液で試料表面を処理し、ネイティブ酸化層を除去しました。さらに、プラズマ表面処理（ICPパワー50 W、BCl₃ 10 sccm、3分）を採用し、表面ドナー状態を導入しました[24]。図6bはトレンチ深さによる接触抵抗依存性を示します。最適深さは50〜55 nmで得られました。Ti/Al/Ni/Au接触の高温急速熱アニーリング（RTA）を図6cで調査。アニーリング温度840〜890 ℃で、870 ℃が最低接触抵抗をもたらしました。高温アニーリング（870 ℃）はTi/窒化物界面でのTiN形成に有利です。しかし、より高温（例：890 ℃）はAuとAlの相互拡散を増加させ、良好なオーミック接触形成に不利です。

図7a-cに、V_ON、V_F、BVを含む静的特性の統計プロットを示します。データは、3回の別々のプロセスランで作製されたL_AC 7、9、11 μmの72個SBDから抽出されました。デバイスは安定した順方向ターンオン特性を示し、V_ONはL_ACに依存しません。これはV_ONが主にショットキー接触で決まるためです。低損傷ICPエッチングプロセス、精密制御されたトレンチ深さ、高品質ショットキー界面が、V_ONとV_Fの優れた均一性に寄与します。さらに、L_AC増加（7〜11 μm）に伴い、提案構造で単調増加（〜100 V/μm）するBVが観測されました。図7dに72デバイスのV_ONヒストグラム統計を示し、平均値0.68 V、標準偏差0.02 Vと小さなばらつきです。

3回の別々プロセスランで作製されたL_AC 7、9、11 μmの72個SBDから抽出した統計プロット：a ターンオン電圧、b 順方向電圧、c 耐圧。d 72デバイスのV_ON分布

図8で逆方向および順方向特性の温度依存性を評価しました。図8aに示すように、周囲温度300〜475 K上昇でR_ON,SPが1.94倍増加します。

a 逆方向リーク電流、b 異なる温度でのDJ SBD順方向特性

DJ SBDの動的特性はAgilent B1505Aパワーデバイスアナライザーで測定しました。アノードパルス静止バイアスポイントを−10 V、−20 V、−30 V、−40 V、−70 V、−100 Vに設定し、アノードパルス幅と周期を0.5 ms/500 msとしました。図9bにストレス電圧関数としての動的R_ON,SPを示します。100 Vリバースストレス電圧でも動的R_ON,SPはストレスなしの1.18倍にとどまり、Ref.[8]と比較可能です。動的R_ON,SPの限定的増加は界面状態密度の低減に寄与します。動的R_ON,SP劣化には更なる研究が必要です。

a パルス測定下I-V特性。b パルス幅/周期 = 0.5 ms/500 msでの抽出R_ON,SP vs アノードパルスベース電圧

図10に、GaNパワーダイオードのSi/SiC/サファイア基板におけるBV vs R_ON,SPベンチマークプロットを示します[8, 10, 22, 25-31]。L_AC 11 μmの提案デバイスは、1109 VのBVと対応する1.17 mΩ・cm²のR_ON,SPを示し、高Baliga FOM 1051 MW/cm²を達成しました。この値はSi基板上ラテラルGaNパワーダイオードの中で最高性能です。

GaNパワーダイオードのSiC/サファイア/Si基板におけるBV vs R_ON,SPベンチマークプロット。耐圧定義に用いた逆リーク電流も併記

結論

高FOMを持つダブルヘテロ接合GaN/AlGaN/GaN-on-Si SBDを作製しました。低損傷ICPエッチングプロセスにより、提案デバイスのオーミック接触とショットキー接触が最適化されました。したがって、L_AC 11 μmのデバイスで、良好な均一性を持つ低V_ON 0.68 Vと低R_ON,SP 1.17 mΩ・cm²が得られました。極化接合効果により高Baliga FOM 1051 MW/cm²を達成しました。高性能と低コストGaN-on-Si技術の組み合わせは、将来のパワーアプリケーションに大きな可能性を示します。

データと材料の入手可能性

本研究中に生成または分析されたすべてのデータは本記事に含まれています。

略語

SBD:

ショットキーバリアダイオード

2DEG/2DHG:

二次元電子/正孔ガス

MOCVD:

有機金属化学気相成長

ICP:

誘導結合プラズマ

TEM:

透過型電子顕微鏡

AFM:

原子間力顕微鏡

BV:

耐圧

R_ON,SP:

比オン抵抗

V_ON:

ターンオン電圧

FOM:

Figure-of-Merit